基于仿生超浸润界面材料的微纳光纤折射率传感技术研究

The optical micro/nanofiber refractive index sensing technology has a broad application prospect in biological medicine, environmental health, food safety and other fields. Bionic interface material with super-wettability is a kind of functional material with super hydrophilicity or super hydrophobicity. The combination of them will make the refractive index sensor has some special abilities, such as pollution resistance, self-cleaning, continuous measuring. Thus, some key scientific and technical issues exist in using ZnO nanostructures with super-wettability to modify the wettability of micro/nanofiber will be researched. An optical transmission model of nanostructure with super-wettability will be used to illuminate the interaction mechanism of light, bionic interface and external environment, and reveal the influence of nanostructures and wettability on the refractive index sensor’s performance. The original dynamic hydrothermal method will be used to grow ZnO nanorod array and thus construct the bionic interfaces with super hydrophilicity, super hydrophobicity and self-cleaning, super hydrophobicity and high adhesion. Thermal excitation method will be used to adjust the wettability of sensor’s surface. The special wettability will make the sensors have trace liquid even single droplet detection, self-cleaning, continuous measuring abilities and versatility. And the application of this type of sensors in biochemical liquid detection will be explored. This research project can lay a solid scientific basis for the bionic interface material with super-wettability widely used in optical fiber sensors.

微纳光纤折射率传感技术在生物医学、环境卫生和食品安全等领域具有广阔的应用前景，仿生超浸润界面材料是一类具有超亲水、超疏水等特殊浸润性的仿生功能材料，将二者有机结合，可以使传感器具备抗污染、自清洁、连续测量等优异性能。因此，本项目围绕将氧化锌超浸润界面材料应用于微纳光纤折射率传感器表面浸润性修饰中存在的关键科学问题展开研究。通过建立超浸润纳米结构中的光传输模型，阐明倏逝光与仿生界面和外部环境的相互作用机理，揭示纳米结构和浸润性对折射率传感性能的影响；通过独创的动态水热法在微纳光纤表面构筑具有超亲水、超疏水自清洁和超疏水高黏附性的氧化锌纳米棒阵列，通过热激发实现浸润性的大跨度可控调节；验证利用特殊的浸润性使传感器具备微量液体乃至单液滴检测、自清洁、连续测量和多功能检测能力的可能，并探索其在生化液体检测中的应用。本项目的研究成果将为仿生超浸润界面材料在光纤传感领域的广泛应用奠定坚实的科学基础。

微纳光纤折射率传感技术在生物医学、环境卫生和食品安全等领域具有广阔的应用前景，仿生超浸润界面材料是一类具有超亲水、超疏水等特殊浸润性的仿生功能材料，将二者有机结合，可以使传感器具备抗污染、自清洁、连续测量等优异性能。本项目针对将仿生超浸润界面材料应用于微纳光纤折射率传感器表面浸润性修饰中存在的关键科学问题，研究并实现了基于光纤表面构筑氧化锌（ZnO）纳米阵列的折射率传感器。掌握了倏逝光与仿生界面和外部环境的相互作用机理、纳米结构和浸润性对折射率传感性能的影响；掌握了动态水热法和共混静电纺丝法在光纤表面制备微纳米结构的技术，通过调控水热法的制备参数或共混静电纺丝溶液中醋酸锌和聚乙烯醇组分的比例，可以在光纤表面制备不同纤维结构的氧化锌纳米阵列，其形貌可控、结构坚固、工艺简单、成功率高；掌握了通过退火或十八硫醇改性调控氧化锌纳米阵列结构浸润性的方法，实现了超疏水和超亲水状态的自主调控；掌握了通过调控光纤表面超疏水结构上液滴的滚动行为实现光纤传感器自清洁的方法，研制了具备自清洁能力的光纤传感器，解决了传统的光纤传感器特别是液体折射率传感器在测量不同浓度或不同成分液体前需要手动清洁的难题；实现了具有自主知识产权的光纤传感器表面自清洁纳米界面技术。在项目支持下发表了11篇学术论文，包括7篇SCI收录论文和3篇中文期刊论文；申请了4项国家发明专利，其中1项已受理，3项已提交；培养了4名本方向的研究生，包括1名博士研究生和3名硕士研究生，目前均在读；在本项目研究基础上，积极推进成果转化，成功拿到国家某基础专项计划子课题1项、国家重点实验室开放课题项目1项、横向科研项目4项，总经费达131万余元。